M.Sc. Technische Kybernetik Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik

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1 Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Prof. Dr.-Ing. H. Lens M.Sc. Technische Kybernetik Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik Prof. Dr.-Ing. Hendrik Lens Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik (SuA)

2 Automatisierung in der Energietechnik Verschiedene Skalen: räumlich, Leistung, Spannung MICROGRID KONTINENTALEUROPÄISCHES VERBUNDSYSTEM Wenige kw Sehr lokal Niederspannung Starklast: > 400 GW (ca. 80 GW in D) ca. 500 Millionen Kunden bis 400 kv Le Anh Dao - Own work, CC BY-SA 4.0, Eigene Darstellung, Datenquelle: ENTSO-E Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 2

3 Automatisierung in der Energietechnik Verschiedene Skalen: zeitlich Stromerzeugung muss zu jedem Zeitpunkt dem Verbrauch entsprechen Wer liefert wann welche elektrische Leistung? Anlageneinsatz ergibt sich aus Prognosen für Verbrauch und Erzeugung Zeitskala von 1/4h bis mehrere Tage Kurzfristiges Gleichgewicht wird regelungstechnisch sichergestellt Zeitskala von < Sekunden bis Minuten Systemdynamische Effekte im Sekundenbereich, z.b. Netzpendelungen Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 3

4 Schwingungsfähigkeit des Energieversorgungssystems Ereignis am Unerwartete Freischaltung einer hochbelasteten Leitung zwischen Spanien und Frankreich Erhöhte Impedanz geänderte Eigenschaften des Gesamtsystems ungedämpfte Netzpendelung (Schwingung von Generatoren) Verringerung des Leistungsflusses von Spanien nach Frankreich von MW auf MW führt zu ausreichender Dämpfung Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 4

5 Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik Überblick der Module Pflichtmodule Dynamik elektrischer Verbundsysteme (3 LP) IFK (Modul: 29180) Regelungstechnik für Kraftwerke (3 LP) IFK (Modul: 30610) Wahlmodule (sofern nicht in B.Sc. bereits belegt): Dampferzeugung (6 LP) IFK (Modul: 30570) Elektrische Energienetze II (6 LP) IEH (Modul: 21760) Elektrische Verbundsysteme (3 LP) IEH (Modul: ) Firing Systems and Flue Gas Cleaning (6 LP) IFK (Modul: 15440) Kraftwerksanlagen (6 LP) IFK (Modul: 15960) Modellierung und Simulation von Technischen Feuerungsanlagen (6 LP) - IFK (Modul: 15970) Netzintegration von Windenergie (3 LP) IEH (Modul: 37010) Regelung von Kraftwerken und Netzen (6 LP) IFK (Modul: 28550) Weitere, fachlich passende Wahlmodule sind grundsätzlich möglich (Antrag erforderlich) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 5

6 Einblick in die Pflichtmodule Dynamik elektrischer Verbundsysteme Regelungstechnik für Kraftwerke Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 6

7 Wirkleistungs-Frequenzverhalten von Verbundsystemen Die Netzfrequenz (Frequenz der Wechselspannung) ist ein Indikator für das Wirkleistungsgleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch Verbrauch > Erzeugung, Frequenz sinkt Verbrauch = Erzeugung, Frequenz konstant (50 Hz) Verbrauch < Erzeugung, Frequenz steigt Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 7

8 Dynamik der Netzfrequenz nach einer Störung 50,4 50, ,8 f / Hz 49,6 49,4 49, , : : : : : :15 Time Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 8

9 Netzpendelungen Schwingungsmoden von Generatorgruppen 2 Knotenpunktslinien 3 kohärente Generatorgruppen Quelle: ENTSO-E Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 9

10 Dynamik elektrischer Verbundsysteme Inhalte der Vorlesung Wichtige Grundlagen elektrischer Verbundsysteme Grundlagen der Netzregelung und der Systemführung Definition von Stabilitätsbegriffen im Verbundnetzbetrieb ( Lyapunov reicht nicht aus) Dynamische Modellierung elektrischer Verbundsysteme Dynamisches Verhalten der Systembestandteile (Generatoren, Spannungsregler,...) Effiziente und numerisch robuste Lösung der Gleichungen bei sehr großen Systemen Entstehung, Messung, Beeinflussung und Monitoring dynamischer Vorgänge Wirkleistungs-Frequenzregelung und Blindleistung-Spannungsregelung Netzpendelungen Im Zuge der Energiewende: neue Stabilisierungsmaßnahmen notwendig (Klassisch: Power System Stabilizer) Einfluss von Leistungselektronik und ihrer Regelung (z.b. Erneuerbare, HGÜ und FACTS) Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 10

11 Einblick in die Pflichtmodule Dynamik elektrischer Verbundsysteme Regelungstechnik für Kraftwerke Quellen: photovoltaik.eu, STEAG Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 11

12 Regelungstechnik für Kraftwerke Kraftwerke sind Stellglieder des Netzes Dynamik und Regelung der Kraftwerke ist wichtig für ihre Flexibilität und Wirtschaftlichkeit die Stabilität des Gesamtsystems Spezifika: Betrieb in der Nähe der Grenzen zulässiger Betriebsbedingungen (maximaler Wirkungsgrad) Vielzahl von Regelgrößen, insb. bei thermischen Kraftwerken Beispiel Steinkohlekraftwerk mit ca. 500 MW: 290 Regelantriebe Viele, teils starke Verkopplungen Verschiedene Betriebsarten Quelle: vestas.com Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 12

13 Umrichterregelung Beispiel: Drehzahlvariable Windenergieanlage Aufgabe der Drehzahlregelung Windenergieanlage im optimalen Bereich halten Maximale Wirkleistungsausbeutung Aufgabe der netzseitigen Umrichterregelung Wirkleistung geeignet ins Netz speisen Blindleistungsregelung Rotor Getriebe Generator PP G PP Netz Umrichter = = Umrichterregelung Zwischenkreiskondensator Drehzahlregelung Transformator Netz Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 13

14 Regelungstechnik für Kraftwerke Inhalte der Vorlesung Grundlagen der Prozessautomatisierung Mess- und Stellglieder Anbindung an das Automatisierungssystem Regelungskonzepte für thermische Kraftwerke Modellgestützte Blockführungskonzepte Zwei-Freiheitsgrade-Regelung (dynamische Vorsteuerung) Wichtige Regelkreise Regelungskonzepte für hydraulische (Speicher)Kraftwerke Kraftwerkseinsatzplanung Regelung von Windenergieanlagen Regelung von PV-Anlagen Netzseitige Umrichterregelung Universität Stuttgart - Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik - Prof. Lens - Vorstellung Spezialisierungsfach Automatisierung in der Energietechnik" WS 18/19 14

15 Vielen Dank! Prof. Dr.-Ing. Hendrik Lens Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Universität Stuttgart Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik Pfaffenwaldring Stuttgart